國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表了交大物理與天文學(xué)院葉芳偉課題組與陳險(xiǎn)峰課題組合作完成的最新研究成果。經(jīng)過3年實(shí)驗(yàn)，他們率先發(fā)現(xiàn)并揭示：基于莫爾晶格的極平帶結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對光的精準(zhǔn)控制，甚至能夠完全鎖定光波，阻止它的擴(kuò)散。這一發(fā)現(xiàn)具有重要的物理意義和廣泛的適用性。

當(dāng)你說話時(shí)，周圍的人都聽到了你的聲音，這是聲波的擴(kuò)散現(xiàn)象；當(dāng)你丟一顆小石子到平靜的思源湖里，激起的漣漪會(huì)一圈一圈地蕩漾開來，這是水波的擴(kuò)散現(xiàn)象。實(shí)際上，各種波——不管是聲波、水波，還是電磁波、引力波、物質(zhì)波——總是傾向于向周圍擴(kuò)散。因此，控制波的擴(kuò)散使其局域在某個(gè)有限的空間之內(nèi)是一個(gè)長期存在的重要科學(xué)問題。

讓人驚奇的事情在這里：光束能被莫爾晶格局域！這就是交大物理與天文學(xué)院葉芳偉課題組與陳險(xiǎn)峰課題組合作，率先發(fā)現(xiàn)并揭示的一種新的波包局域機(jī)制

首先來解釋一下莫爾條紋，其實(shí)這在生活中經(jīng)?？梢?。將兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)重疊在一起、并且彼此之間轉(zhuǎn)過一定的角度，人們會(huì)在其上看到明暗相間的條紋，此即莫爾條紋。葉芳偉課題組的博士生王鵬利用兩把梳子展示的莫爾條紋，這可能是世界上最簡單的莫爾條紋。

  人們常說：“一加一大于二”，莫爾條紋很好地證實(shí)了這句話。從石墨中單獨(dú)取一層出來，就是大名鼎鼎的二維材料——石墨烯。研究石墨烯的科學(xué)家驚奇地發(fā)現(xiàn)，由兩層石墨烯堆疊而成的莫爾結(jié)構(gòu)在某個(gè)特定的轉(zhuǎn)角下，魔幻般地呈現(xiàn)出超導(dǎo)性：電流在其中流動(dòng)時(shí)完全沒有損耗！這種超導(dǎo)性是單層石墨烯所完全不能想象的，莫爾晶格竟然會(huì)從根本上改變材料的性質(zhì)。一石激起千層浪，人們接著研究了其他各種各樣的莫爾結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了莫爾晶格更多新奇獨(dú)特的物理性質(zhì)，并形成了一個(gè)專門的研究方向：twistronics（扭曲學(xué)）。

然而，一個(gè)根本的科學(xué)問題——波在莫爾晶格中如何演化——卻一直懸而未決。

為此，研究人員利用光學(xué)誘導(dǎo)的辦法，將兩個(gè)周期晶格寫入到同一塊晶體中，得到了首個(gè)高度可調(diào)的光子莫爾晶格。借助于該莫爾晶格的連續(xù)可調(diào)性，并通過大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，課題組發(fā)現(xiàn)了波包在莫爾晶格中的演化規(guī)律：當(dāng)兩個(gè)方形晶格疊加旋轉(zhuǎn)到36.8度時(shí)，光束很快在晶格中散開，成為導(dǎo)電態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)角為36度時(shí)，光就被牢牢鎖定在晶格中某處，成為絕緣態(tài)。原因是莫爾晶格對應(yīng)的準(zhǔn)能帶結(jié)構(gòu)中各級(jí)能帶都是極平帶，因此光子在莫爾晶格里失去了動(dòng)能，自然無法擴(kuò)散，只能局域！顯然，莫爾晶格中的局域和人們已知的其他環(huán)境下的局域在機(jī)制上完全不同，它代表了一種全新的局域方式。課題組還研究了其他形形色色的莫爾晶格，通過大量的測試，發(fā)現(xiàn)了光子在莫爾晶格中的局域以及特殊莫爾角下的散開其實(shí)是莫爾晶格的一種共性，廣泛存在著。

莫爾晶格提供了對光控制的一種全新手段。相比于之前將波局域的方式，莫爾晶格提供的局域方式更加簡單易行——它既不需要較強(qiáng)的折射率反差，也不需要特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更不依賴于較強(qiáng)的激光功率，但同時(shí)它又具有高度的可調(diào)性——通過簡單的莫爾轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)，光子可以自由地從“靜止”轉(zhuǎn)為“運(yùn)動(dòng)”，也可將其從“緩慢”的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為高速的“運(yùn)動(dòng)”，可謂動(dòng)靜皆宜，快慢自由。因此，莫爾晶格為未來的光束控制、圖像傳輸、信息處理提供了一種更加簡單易行的手段，也為研究低功率下的非線性光學(xué)提供了一個(gè)易于執(zhí)行的平臺(tái)。此外，光子莫爾晶格的研究也為二維材料和冷原子系統(tǒng)中莫爾晶格的研究提供了極其有益的借鑒。

該研究成果以“Localization and delocalization of light in photonic moiré lattices”為題在線發(fā)表于國際頂尖期刊《自然》。論文的第一作者是王鵬博士生和鄭遠(yuǎn)林助理研究員。論文的合作者包括上海交通大學(xué)陳險(xiǎn)峰教授、山西長治學(xué)院黃長明博士、 Dr Yaroslav Kartashov（俄羅斯）, Prof Lluis Torner（西班牙）和 Prof Vladimir Konotop（葡萄牙）。葉芳偉教授是論文的通訊作者，上海交通大學(xué)是論文的唯一通訊單位。

“科研成果的取得得益于物理與天文學(xué)院面向國家科技重大戰(zhàn)略需求，聚焦基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域研究，強(qiáng)化科技創(chuàng)新體系建設(shè)的重要舉措”，上海交大物理與天文學(xué)院黨委書記朱卡的教授在肯定葉芳偉團(tuán)隊(duì)科研成果的同時(shí)，表示通過“引育并舉，雙向引導(dǎo)”的培養(yǎng)方針，學(xué)院逐漸組建了一支高水平、高質(zhì)量的青年教師隊(duì)伍，科研創(chuàng)新能力不斷增強(qiáng)，歡迎海內(nèi)外更多的優(yōu)秀人才加盟上海交大，共同建設(shè)國際一流、國內(nèi)領(lǐng)先的物理與天文學(xué)院。

（看看新聞Knews記者：周云 編輯：小真）